（材料学专业论文）镁合金挤压及其力学性能研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文研究了a z 9 1 、a z 6 1 及几种含锆镁合金的挤压性能，结果表明尽管镁合金具有 密排六方结构，室温下滑移系较少，塑性较差，但在加热到2 3 0 以上时仍表现出良好 的可挤压性。在本实验参数下，挤压出的杆材和板材表面良好，尺寸符合设计要求。 本文对挤压态镁合金杆材和板材进行了热处理，然后做了显微组织分析和力学性能 测试。结果表明挤压后的镁合金综合力学性能明显高于铸态，抗拉强度较铸态提高 5 0 m p a 以上，屈服强度提高3 0 m p a 以上。延伸率提高5 以上：挤压后的镁合金显微组织 均匀细小，平均晶粒度在1 5pm 以下，而挤压前的铸态组织晶粒度在8 0 um 以上：热处 理对挤压态镁合金力学性能的影响因合金牌号不同而不同，对于a z 9 1 板材而言，t 4 、 t 6 处理均降低其力学性能，挤压后f 态性能最佳，而其它几种含锆合金t 6 态要好于f 态：断口分析表明a z 6 1 板材的横向拉伸断口与纵向断口形貌有很大不同，横向断口韧 窝呈细条状，而纵向断口呈大小和深浅不一的圆形韧窝，这种断口形貌的差异证明材料 在挤压过程中晶粒有择优取向。其它几种镁合金挤压态断口皆表现为韧性断裂的特征， 室温断口与高温断口特征基本相同，分析表明由于挤压态镁合金室温塑性已经很好，所 以尽管高温下镁合金塑性进一步提高，但断口特征较室温下并无明显变化。 本工作开发了一种高导热镁合金散热器片，散热片的材料采用塑性较好、散热能力 较强的a z 6 1 合金，生产工艺采用传统的热挤压方法。这种散热片适用计算机中央处理 器以及其它电子产品芯片的散热。理论分析表明镁合金散热片不但具有重量轻的特点， 它还具有散热快和结构设计余地大等优点。在同等重量要求下，镁合金散热器片可以设 计出较铝合金大的散热表面积，从而具有更强的散热能力。本产品已经申请国家发明专 利。 关键词：镁合金热挤压力学性能高强散热片 沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d y o nh o te x t r u s i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fm a g n e s i u ma l l o y s a b s t r a c t t h i s p a p e r h a sd i s c u s s e dt h e e x t r u d a b i l i t yo f a z 9 1 ，a z 6 1e n d s e v e r a lo t h e r m ga l l o y sw i t h z ra d d i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t a l t h o u g hm ga l l o y sh a v eh c ps t r u c t u r e ，f e w e rs l i ps y s t e m s a t r o o m t e m p e r a t u r e ，t h e yh a v em o d e r a t ee x l n l d a b i l i t yw h e n h e a t e dt o2 3 0 c o r h i g h e r u n d e rt h e c o n d i t i o no ft h e s ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r s ，t h ee x t r b d e dr o d se n db a r sh a v eg o o ds u r f a c e ，a n d t h e i rg e o m e t r ys i z e sm e e t d e s i g nd e m a n d h e a tt r e a t m e n tw a sm a d eo n t h ee x t r u d e dr o d sa n d b a r s ，a n dt h e nm i c r o s t r u c t u r a la n a l y s e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e x l r u d e dm a t e r i a l sh a v eb e t t e rp r o p e r t i e st h a nc a s t i n gm a t e r i a l s f o re x a m p l e ，t h ev a l u e so f t e n s i l es t r e n g t ha r eh i g h e rt h a nt h ev a l u e so fc a s tb y5 0 m p a , y i e l ds t r e n g t hb y3 0 m p a , e n d e l o n g a t i o nb y 5 e x t r u d e dm g a l l o y sh a v ef i n e rg r a i n s , a n da v e r a g eg m m s i z ei su n d e r1 5 b m ， b u tc a s t i n gm g a l l o y sh a v ea l la v e r a g eg r a i ns i z eo fm o r et h a n8 0 p m h e a tl r e a t m e n th a s d i f f e r e n te f f e c t so nd i f f e r e n t a l l o y s f o r a z 9 1a l l o y , t 4a n dt 6t r e a t m e n tr e d u e e si t sp r o p e r t i e s b u tf o ro t h e rs i xa l l o y sw i t hz ra d d i t i o n , t 6t r e a t m e n ti n c r e a s e st h e i r p r o p e r t i e s m i c r o f r a c t u r e a n a l y s e ss h o w t h a tt r a n s v e r s ef r a e m r es u r f a c eo f a z 6 1b a r si sd i f f e r e n tf r o m l o n g i t u d i n a lo n e s t r a n s v e r s ef r a c t u r ei sl o n ge n dt h i ni ns h a p e ，b u tl o n g i t u d i n a lf r a c t u r ei sc u p s h a p e c a v e s t h i s j o b a l s oi n c l u d e st h ei n v e n t i o no f c p ur a d i a t o ro f m g a l l o y s t h i sk i n do f r a d i a t o ri s s u i t a b l ef o rc o m p u t o r sc p uc o o l e ra n do t h e re l e c t r o n i cp r o d u c t s sc o o l i n g m ga l l o yr a d i a t o r h a sm a n y a d v e n t a g e ss u c ha sq u i c kb e a td i f f u s i o n , l o ww e i g h t ，e a s i l yr e c y c l i n g b e c a u s em g r a d i a t o rh a sl o w e r d e n s i t y ，i t c a r lb e d e s i g n e di n t om a n y d i f f e r e n ts h a p e sw i t hm o r es u r f a c ea r e a t h e t e c h n i q u ei np r o d u c i n gc p u r a d i a t o ri st r a d i t i o n a lh o te x t n t s i o n , a n dt h em a t e r i a lu s e di n t h i s j o b i sa z 6 1 a l l o y t h er a d i a t o r p r o d u c t i sp a t e n t e d k e yw o r d s ：m ga l l o y s ；h o te x t r u s i o n ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；m g - a h o yr a d i a t o r 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：么日期：翌! ：至：! 弓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 i i 镁的基本性质 镁的原子序数为1 2 ，相对原子量为2 4 3 2 ，电子结构为l s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ，位于周期表第 二族第三周期。镁的晶体结构为密排六方，在2 5 时晶格常数：a = o 3 2 0 2 n m ， c = o 5 1 9 9 n m 。晶胞的轴比为c a = 1 6 2 3 7 ，配位数等于1 2 时的原子半径为0 1 6 2 r i m 。 镁在2 0 。c 时的密度为1 7 3 8 9 c m 3 ，是常用结构材料中最轻的金属。镁在2 0 c 时的体积 热容为1 7 8 1 j ( d m 3 k ) ，同等条件下比铝 2 4 3 0j ( d 3 k ) 、钛 2 3 9 4j ( d 寸k ) 、镍 4 1 9 2j ( d m 3 k ) 、铜 3 4 5 9j ( a m 3 k ) 、锌 2 7 2 7j ( d m 3 k ) 、钼 2 8 1 5j ( d 甜k ) 银e 2 4 6 8j ( a m 3 k ) 都低，而且合金元素对镁 的热容影响也不大，因此镁及其合金的导温能力很强“田。纯镁的一些其它重要物理参数 列于表i - i 和卜2 中。 表卜1 纯镁的一些重要物理参数 熔点沸点燃烧热 熔化热感应电流透入深度岫 k j - 峙1k j 培1l 嘲z1 0 删z1 0 0 班k 1 0 0 0 2 6 5 01 1 0 32 5 0 z o3 6 81 0 83 4 21 n83 4 2 表1 2 纯镁的些物理参数睦温度的变化 沈阳工业大学硕士学位论文 镁是金属中电化学顺序最后的一个，化学性质非常活泼。在潮湿大气、海水、无机 酸及其酸性盐、有机酸、甲醇等介质中均会引起腐蚀，但在干燥的空气、碳酸盐、氟化 物、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及不含水的润滑油中却很稳 定。在室温下，镁的表面能与空气中的氧发生反应，形成氧化镁薄膜，但由于氧化膜比 较脆，而且致密系数小于1 ，不能象氧化铝薄膜那样起到保护作用。氧化镁薄膜的致密 度系数可按下式计算： t 2 ：竺塑丝：0 7 9 m u g p m g 式中 m m g 和m m g o - - 镁和氧化镁的相对分子量 p m g 和pm g 棚和氧化镁的密度 1 2 镁的自然资源与人类 由于镁的化学性质非常活拨，所以镁在自然界中主要以氧化物和盐的形式存在。镁 的化合物主要存在于地壳、海水和湖水中。在地壳中，镁的含量达到2 5 w t ，矿物种类 有6 0 多种，具有潜在工业价值的镁矿有方镁石( 0 ) 、水镁石( m g ( 0 m ：) 或 ( m g o 2 h 劫、橄榄石( ( m g ，f 勘2 s o ) 、白云石( m g c q c a c o ，) 、菱镁矿( c 0 3 ) 、水氯镁石 ( m g c iz 6 h z 0 ) 、光卤石( m g c l 。k c i 6 h 2 0 ) 和蛇纹石( 3 m g o 2 s i 毡2 h 2 0 ) 等。在海水和 盐湖卤水中，镁的含量也非常丰富。1 m 3 海水中含有近4 蚝的镁，溶解在海水中的镁总 量达6 x1 0 “t ，按现在年产量5 0 万吨的生产能力计算，可开采1 2 0 0 亿年”。 我国是世界上镁资源最丰富的国家之一，目前公认的具有最大镁矿储量的前八个国 家分别是澳大利亚、中国、波兰、俄罗斯、美国、印度、希腊和加拿大。我国菱镁矿的 储量占世界总储量的6 0 以上，而且品位超过4 0 。镁是人体新陈代谢必不可少的元素 之一。镁在人的机体中起着催化剂和激活剂的作用。体内缺省镁元素会使人产生疲乏 感，易激动、抑郁、心跳加快加快和易抽搐。实验证明，镁长期摄入不足，心血管病和 肿瘤的发生率显著增高。人体内的镁一旦失去平衡就会引起多方面的病变如易患关节 病、白血病、胃癌、糖尿病等。据国外最新研究表明，许多上年纪者在工作中，其体能 消耗往往过度，专家认为其可能与体内缺镁有关。法国物理学家们的试验表明，劳累过 2 沈阳工业大学硕士学位论文 度的人血液中的镁含量降低。营养学家认为，镁元素摄入不足不仅容易导致体能消耗过 度，而且有碍体能有效分配。 1 3 镁的强化 纯镁单晶体的临界分切应力只有( 4 8 4 9 ) x1 0 5 p a ，纯镁多晶的强度和硬度也很 低，因此，纯镁不能直接用于结构材料。但通过形变硬化、晶粒细化、合金化、热处 理、镁合金与陶瓷相的复合等多种方法或这些方法的综合运用，镁的力学性能将会得到 大幅度的改善。在这些方法中，镁的合金化是实际应用中最基本、最常用和最有效的强 化途径，其他方法往往都建立在镁的合金化基础上。镁合金的强化直接来源于基体中合 金元素引起的固溶强化和中间相的弥散强化，经固溶时效处理后的弥散强化效果比单纯 的过饱和固溶强化要高“。 簧 ab o b b ，_ 圈1 - l 固溶及时搿0 示意图 固溶时效硬化是由于在固溶线以下从过 饱和固溶体中析出某种能使硬度得到提高的微 细的第二相。时效硬化是个普遍的现象，只要 a 与b 二组元能形成如图卜i 所示的状态图， 就有可能出现时效硬化现象，当然，硬化效应 强弱则随合金成分而异。图i - i 表明组元b 可 溶入a 而形成a 固溶体，且b 在a 中的溶解度 随温度降低而降低。如有一b 含量大于b 。的合 金，将此合金加热到低于固相线的温度保温足 够时间，待b 充分溶入后取出立即淬火，则b 来不及沿着d e 线析出而仍保留在a 相中形成过 饱和固溶体。这一处理被称为固溶处理。经固 溶处理后在室温或加热到不超过溶解度曲线的某温度保温，b 将以富b 的高度弥散的 用光学显微镜无法分辨的化合物a 或a 溶于b 而形成的b 固溶体的形式，自过饱和固 溶体析出而使a 中的b 含量逐渐下降到饱和状态。这一过程可以用下式表示： 过饱和固溶体一饱和a 固溶体+ 析出相 3 沈阳工业大学硕士学位论文 由于弥散的新相的析出将使硬度升高，由此可见，时效是过饱和固溶体的脱溶沉 淀，时效硬化是脱溶沉淀引起的沉淀硬化。时效硬化是由于母相中的位错与析出相之间 的交互作用引起的。可以按位错通过析出相的方式把时效硬化机制区分为三类：内应变 强化、切过颗粒强化、绕过析出相。 过饱和固溶体的分解过程往往是很复杂的，包括几个阶段的过程。典型的情况是， 除形成平衡相外，还可以形成g p 区和一个中间沉积物。g p 区是有序的溶质原子富集的 丛聚，可能只有一个或两个原子平面厚“”。 表l - 3 主要热处理状态代号 f 制造状态 0 h 退火，再结晶 应变硬化 固溶热处理。不稳定处理状态 热处理到除f 0 或h 稳定处理状态之外 退火 固溶热处理和冷作加工 固溶热处理 仅人工时效 固溶热处理和人工时效 固溶热处理和稳定化 固溶热处理、冷作加工和人工时效 中间沉积物一般比g p 区大得多，而且与基体的点阵平面只是部分共格，它的成分 和晶体结构是确定的，可能与平衡沉淀物的只有略微的不同。在一些合金中，中间沉淀 物可能在稳定的g p 区位置上形核，而在另一些合金中，这种相则在点阵缺陷( 如位 错) 处非均匀形核。最终平衡沉淀物的形成引起与基体点阵共格的完全消失。这只在较 - d w ， 他 他 m 1 2 ；呈 w 他 沈阳工业大学硕士学位论文 高的时效温度下才形成，并且( 由于粗弥散分布) 不产生强化。在g p 区或中间沉淀物 或两者均呈临界弥散分布时，合金发生最大时效硬化。所以镁合金通常要进行热处理来 提高其性能。表卜3 为几种主要热处理的代号及工艺。 在保持镁合金轻质优势的同时，镁合金的强度和耐磨性还可以通过同s i c 、a i , o , 或 石墨等增强相的复合而得到进一步的提高。目前镁基复合材料的制备通常是s i c 、a 1 籼 将或石墨的粉末纤维或晶须加入熔融的镁合金中采用压铸或挤压铸造等方法。由于镁合 金易于与陶瓷增强相表面的氧和氮的反应，因此陶瓷增强相同基体镁合金之间的润湿性 好，特别是s i c 可与镁反应生成墨i ，更有利于提高与基体镁合金问的润湿性，这也 是与铝基复合材料相比，镁基复合材料所具有的一个重要优点“”。 1 4 镁合金分类及表示方法 镁合金是镁的合金化产品，是目前最广泛使用的镁基材料。镁合金一般按三种方式 分类，即合金的化学成分、成形工艺和是否含锆。按化学成分，镁合金可分为二元、三 元或多元合金系，大多数的镁合金都岔有不止一种合金元素。但在实际中，为了分析问 题的方便，也是为了简化和突出合金中的最主要合金元素，一般习惯上总是依据m g 与 其中的一个主要合金元素，将镁合金划分为二元合金系：m g - m n 、m g - a l 、m g - z n 、m g r e 、m g - t h 、m g - a g 和m g - l i 系。 按成形工艺镁合金可分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。变形镁合金和铸造镁合 金在成分、组织和性能上存在着很大的差异。早期的变形镁合金由于要求其兼有良好的 塑性变形能力和尽可能高的强度，对其组织的设计，大多要求不含金属间化合物，其强 度的提高主要依赖合金元素对镁合金的固溶强化和塑性变形引起的加工硬化。变形镁合 金的成形工艺主要有：锻造、锻压、挤压、冲压、变薄旋压及轧制等，主要用于生产薄 板、挤压件和锻件。镁合金的铸造方法有：砂型铸造、金属型铸造、挤压铸造、低压铸 造、高压铸造和熔模铸造。砂型铸造适用于表面积大、体积小、形状复杂和高质量的镁 台金铸件的生产；金属型铸造适用于表面积大、体积大、形状复杂和高质量的镁合金铸 件的生产；挤压铸造的充型压力比重力金属型铸造要高几个数量级，有利于减少铸件中 的疏松和气孔缺陷，提高铸件的致密度；低压铸造适用于表面积中等、形状复杂和高质 量的镁合金铸件的生产；高压铸造适用于表面积中等、尺寸精密、形状复杂、大体积和 5 沈阳工业大学硕士学位论文 中等质量的镁合金铸件的生产：熔模铸造适用于尺寸非常精密、形状非常复杂、小体积 和高质量的镁合金铸件的生产。其中，高压铸造是批量生产成本最低的方法，目前9 8 以上的镁合金汽车件都是采用高压铸造方法生产的“”1 。 镁合金又可以依据是否含有锆分为含锆和不含锆两大类。其中含锆镁合金主要有： m g z n z r 、m g r e z r 、m g _ t h z r 、 【g “g z r 。不含锆镁合金主要有m g - h l 、m g - m n 、m g z n 三大系。 镁合金的标记方法有多种，各国的标准也不一样，其中美国a s t m 标准的标记规则 应用最为广泛。按a s t m 标准的标记规则，化学元素用l 2 个字母标记，其后的数字表 示该元素在合金中的名义成分，用质量分数表示，四舍五入到最接近的整数。字母的顺 序按在实际合金中含量的多少排列，含量高的化学元素在前，如果两种元素的含量相 同，则按英文字母的先后顺序排列。例如，a z 9 1 表示合金m g - 9 h l 一1 z n ，但该合金的实 际化学成分是w ( h 1 ) = 8 3 9 7 和w ( z n ) = o 4 1 0 9 6 。紧接着表示化学成分的英 文字母和表示元素的质量分数，有时还用a 、b 、c 、d 等后缀表示同一牌号合金在某一 特定范围内的改变。镁合金中各字母所代表的化学元素如表1 - 4 所示嗍。 表1 _ 4 镁合金中各符号的意义 英文字母元素符号中文名称英文字母元素符号中文名称 hh l 铝m m n锰 bb i铋nn i镍 cc u 铜 pp b铅 dc d镉 qa g银 er e 混合稀土 rc r铬 ff e铁ss i硅 g m g镁 ts n锡 ht h钍wy钇 kz r锆ys b锑 ll i锂zz n锌 我国对镁合金的标记方法比较简单，用两个汉语拼音字母和其后的合金顺序号( 阿 拉伯数字) 组成。依据前两个汉语拼音字母将镁合金分为四类：变形镁合金、铸造镁合 6 沈阳工业大学硕士学位论文 金、压铸镁合金和航空镁合金。合金的顺序号表示合金之间的化学成分差异。变形镁合 金用皿两个汉语拼音字母表示，m 表示镁合金，b 表示变形；铸造镁合金用z m 两个汉 字拼音字母表示，z 表示铸造，m 表示镁合金：压铸镁合金虽然也属于铸造镁合金，但 还是专用两个汉语拼音字母y m 来表示，y 表示压铸，m 表示镁合金。用于航空的铸造镁 合金与其他铸造镁合金在牌号上略有区别，即z m 两个字母与代号的连接加一个横杠。 例如1 号铸造镁合金用z m i 表示，2 号变形镁合金用m b 2 表示，5 号压铸镁合金用y m 5 表示，5 号航空铸造镁合金用刁卜5 。可见，我国对镁合金标记的特点是按成形工艺划分 镁合金的。 1 5 镁合金的应用发展历史 镁合金的开发至今已7 0 多年，作为工程材料，以往镁合金的应用重点是在飞机 上，但是目前以压力铸造方法生产的镁合金在汽车上用量的增加引起国际上的广泛注 意，成为2 1 世纪瞩目的焦点汹。 回顾历史，英国人普拉克1 7 5 5 年正式地确立了镁的存在o1 8 0 8 年，英国化学家戴 维利用电解汞和氧化镁的混合物制得了镁汞齐，这一时间被认为是金属镁的诞辰。2 0 年 后，即1 8 2 8 年，法国科学家布塞采用钾还原熔融氧化镁制得了纯镁，但那时镁仍然是 实验室的珍品。 当进入2 0 世纪后，在1 9 2 7 年高强度镁合金m g a l 9 z n l ，即现在广泛应用的a z 9 1 镁 合金诞生了。这是镁合金发展史的一个划时代标志，但当时仅有a z 9 1 a 和a z g l b 两个牌 号。a z 9 1 b 比z 9 1 a 含铜量低，耐蚀性好一些，因而应用更为广泛。从那时起到1 9 3 0 年 间，德国a l d e r 一汽车工厂曾在一台汽车上用了7 3 8 k g 的镁。1 9 3 5 年苏联的飞机设计 师制造了一架飞机，他的金属原材料中含有质量分数为8 0 的镁合金。1 9 3 6 年德国大众 汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的发动机传动系统的零部件，1 9 4 6 年 “甲壳虫”单车镁合金用量达1 8 k g ，至1 9 8 0 年累积生产1 9 0 0 万辆，总用量达3 8 万 吨。1 9 世纪初全世界原镁的年生产量只有1 0 万吨，几乎都在德国。直至第一次世界大 战，镁合金的应用仅限于德国。在第二次世界大战期间镁合金的用量急剧增加，例如美 国在1 9 4 3 年的镁产量达1 8 4 0 0 0 吨，是1 9 3 9 年的5 倍还多。战争中，作为结构材料使 用的镁合金仅限于军事用途，主要用于在飞机上，例如发动机的零部件、框架及起落 7 沈阳工业大学硕士学位论文 轮。和平年代，镁合金的应用范围扩展到汽车、照相机、计算机、机器人、体育和办公 用品等行业。由于镁合金的熔点略低于铝合金，与钢铁的亲和力远小于铝合金，因而非 常适宜于发展迅速的高压铸造工艺生产，这又为其进一步发展应用的前景蒙上一层更为 光辉的色彩。 镁合金最早出现在2 0 世纪2 0 年代中期的德国，到现在用镁压铸件来减轻汽车重量 的努力至少有7 0 年的历史。在3 0 年代镁压铸件就以达到壁厚l m m ，误差0 1 m m 。重量 0 0 0 3 - - 2 k g 的水平。在2 0 世纪7 0 年代中期，镁合金在汽车上的用量来势回落，这是因 为德国大众汽车公司停止了镁合金在甲壳虫轿车上的应用。当时很多人出于价格不稳 定，成型难和耐蚀性能低等方面考虑认为镁合金压铸件不可能成为未来汽车的最好选 择。但是到7 0 年代末，随着国际性能原的危机的临近，汽车工业再次将投资的焦点转 向了轻质的镁合金材料。美国和德国政府也参与进来，组织了一系列的攻关项目，副示 是减轻汽车的重量，节省能源。 九十年代末期，镁合金应用发展势头较大的国家和地区是：北美、欧洲、日本和台 湾。在北美和欧洲镁合金的主要应用领域是汽车行业，亚洲国家则侧重与镁合金在3 c 类产品上的应用。由于汽车对镁合金需求量特别大，因而在镁合金的用量中占主导地 位。据专家预测，作为压铸件镁合金的用量在先进工业国家的汽车行业将会在跨世纪之 交持续增长。近年来发达国家用于制造结构件的镁合金的典型产品有：汽车上的离合器 壳、气缸盖、仪表盘、阀盖、座椅框、变速箱壳、轮毂、方向盘和转向系统。正在全力 开发的镁合金汽车产品主要有：汽车车门框、大的车体外部件、发动机箱体和油底盘。 大约是在1 9 6 5 年，大众汽车公司提出m g - a 卜z n 系合金不能满足他们新改进发动机 的要求d o w ( 道屋) ，n o r s kh y d r o ( 海德鲁) ，n li n d u s t r i e s ( 美国国民铝业公司) 镁生 产企业开始考虑开发新的合金这一新的镁合金要求室温强度，铸造工艺性能或价格都 类似如a z 8 1 ，但在1 7 5 c 的蠕变强度要求达到a z 8 1 在1 5 0 。c 时的值。为此尝试将 s i ，r e ，c a 加入到a z 8 1 合金中，其所得到的结论是：( 1 ) 1 s i 加入到对蠕变强度影响不 大，但韧性明显降低：( 2 ) 1 r e 加入到镁合金中对蠕变强度影响不大，但价格明显升高： ( 3 ) c a ( 最多不超过0 2 9 6 ) 加入到镁合金中增加蠕变强度，但是韧性也随之降低能满足 蠕变性能的要求，但随之带来如粘模或热裂的问题” 8 沈阳工业大学硕士学位论文 在此期间，d o w 和n li n d u s t r i e s 还开发了a s 4 1 ，a s 2 1 ，a s l1 合金，其中只有a s 4 1 合 金得到了广泛应用，其他合金尽管具有更高的蠕变强度，但熔化温度过高。a s 4 1 比a z 8 1 的熔点只高了大约3 0 ，却能够全面的满足以上所列的条件。到1 9 7 1 年，大众有半数以 上的产品开始由a z 8 1 改为a s 4 1 ，数年后a s 2 1 也被用来生产曲柄轴箱。 在1 9 7 0 年年初，n li n d u s t r i e s 又开发了两个牌号z a l 2 4 ，a z 8 8 的合金，z a l 2 4 具 有同a s 4 1 同样的蠕变强度，但耐蚀性和流动性均比a s 4 1 好，向其中加入少量的c a ，并 适量减少a l 和z n 的含量，所生成的合金z a l 0 2 + o 3 c a 的蠕变强度进一步提高，蠕变强 度达到与a s 2 1 一样高。当向这些合金中加入c a 时，并不像a z 9 1 那样，没有出现粘模 和热裂的问题。a z 8 8 具有比a z 9 1 宽得多的凝固区间，使得那些薄壁和复杂件的浇铸温 度可以降低5 5 c ，并以较低的速度充型1 。但遗憾的是，a z 8 8 和z a l 2 4 的韧性都相 当低，而且由于含有较多的z n 和a l ，导致合金密度增加，其优点被缺点所抵消，结果几 乎没有什么商业应用价值。 在6 0 年代，人们开始尝试研制高功能轿车的镁合金轮毂。由于a z 9 1 合金的韧性 ( 特别是在铸态) 太低，第一批轮毂是用a z s i ，并采用沙型或低压铸造的方法制造的。为 了满足对轻质轮毂的不断高涨的要求，d o w ，f i a t 和c r o m o d o r a 于1 9 6 6 年联合开发出了 a m 6 0 合金，并投入使用，结果令人十分满意。自8 0 年代后期开始，镁合金的发展主要 是针对的弱点：韧性和耐冲击值低，热强性和抗蠕变性能低。由于发现降低铝的含 量，可以明显改善镁合金的韧性和耐冲击值，为此开发a m 5 0 用于制造整体方向盘骨 架，a m 6 0 用于制造一片式的仪表盘和横梁等汽车零件。铝含量过低的a m 2 0 具有更好的韧 性，但铸造性能差，只用于如奔驰的座椅框架等一些简单的设计。在镁合金韧性和耐冲击 值方面，至今没有找到比a m 5 0 和a m 6 0 更好的合金d 1 删。 在未来几年里，用铝镁基复合材料及先进高强度钢( a h s s ) 替代传统铸铁和铸钢， 是一种主要的汽车结构轻型化的方法。根据京都议定书( k y t og l o b a lw a r m i n g a g r e e m e n t s ) ，到2 0 0 5 年全部新汽车的燃料消耗量在1 9 9 0 年的基础上应减少2 5 。众 所周知，汽车重量每减轻l0 9 6 ，将节省5 5 的燃料，2 0 0 5 年的新型汽车的重量与1 9 9 0 年相比将减轻4 5 。表卜5 为北美家用s e d a n 轿车2 0 0 0 年及预期车重“。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 _ 5 北美家用s e d a n 轿车现今及预期车重 材料名称 材料总体 2 0 0 0 矩2 0 0 9 芷 重量( 公斤)百分比( )重量( 公斤)百分比( ) 钢6 4 85 49 21 6 铁 1 3 2i i2 34 塑料 9 681 3 22 3 铝9 681 3 82 4 润滑剂 7 263 56 橡胶4 842 34 破靖3 632 95 镁 2 40 28 71 5 其它 6 9 65 81 73 合计 1 2 0 01 0 05 7 61 0 0 此外，镁合金还应用于一些其他要求抗震的产品，如摩托车引擎外壳，自行车架， 皮箱框架等。诸如自行车、摩托车、折叠式行李架、手提电锯机壳、网球拍的杆等体育 器材的应用已成为新的市场热点。随着镁合金价格的不断降低和感性技术的发展，镁合 金的应用范围还将进一步的拓宽。 1 6 当今镁合金应用的主要领域 镁合金质量轻、比强度和比刚度高、切削加工性好、减震降躁性好、抗电磁干扰性 强、导热性好以及易于回收等特点使其在许多工业领域中呈现出良好的应用前景汹“。 首先，镁合金广泛应用于汽车行业，用于制造发动机配件、座椅、方向盘等。而 且随着汽车工业的发展，世界上汽车镁合金需求量每年以2 5 的速度增长。据预计， 2 0 0 6 年镁台金压铸件的需求将是1 9 9 6 年的4 倍，达到每年2 0 万吨。据报道，汽车自重 减轻1 0 ，其燃油效率将会提高5 5 ，故镁合金在汽车行业的应用不仅节约了燃料而 且由于镁合金部件与塑料零部件相比易于回收，可以减少环境污染。西方几家汽车公司 大力推进镁合金在汽车工业的应用并积极投资镁合金冶炼基地，以确保原材料的供应。 世界头号汽车公司美国通用公司与世界上第二大镁业公司一一挪威诺斯克一海德罗镁业 公司达成协议，就增加镁合金在汽车上的应用进行长期合作，挪威诺斯克一海德罗镁业 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 公司将稳定地长期向通用汽车公司供应所需镁合金和镁合金零部件，表卜6 列出了 1 9 9 7 年世界上镁合金用量最大的十家汽车公司。 其次，目前发展最迅速的电子行业也是镁合金应用的新领域。近年来，航空、航 天和汽车行业对镁合金的大量需求推动了镁合金生产技术的迅猛发展，使得镁合金的生 产和使用成本都大幅度降低，近而又促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、 医疗、轻工等行业的应用发展。其中，镁合金应用发展最快的领域是电子信息和仪器仪 表行业。电子信息行业由于数字化技术和大规模集成电路制造技术的发展，市场对电子 和通讯产品的高集成化、轻薄化、微型化、豪华美观和符合环保的要求是越来越高，这 使得传统的工程塑料有些力不从心。镁合金具有优异的薄壁铸造性能，其压铸件的壁厚 最薄可达0 4 咖1 5 m ，并保持一定的强度、刚度和抗撞击能力，这非常有利于满足 产品超薄、超轻和微型化的要求，再加上电磁屏蔽和环保等方面的优点，镁合金成为3 c 产品生产厂家的最佳选择。 另外，镁合金对冶金、化工、军事、纺织等行业的发展起到了重要的作用，它还广 泛应用于现代航空、航海业，用于制造发动机及货舱等，为减轻重量、增大强度做出了 重大贡献。 表1 _ 61 9 9 7 年世界e 镁合金用量最大的十家汽车公司 汽车公司用量t f o r d ( 福特)1 7 5 0 0 g e n e r a lm o t o r s ( 通用)9 4 0 0 c h r y s l e r ( 克莱斯勒) 7 0 5 0 t o y o t a ( 丰田) 4 2 0 0 m e r c e d e s ( 奔驰) 2 7 0 0 a u d i ( 奥迪) 1 6 0 0 v o l k s w a g e n ( 大众) 1 2 5 0 洲( 宝马) 7 0 0 f i a t ( 菲亚特) 5 0 0 p o r s c h e ( 宝时捷) 2 5 0 总计4 5 1 5 0 沈阳工业大学硕士学位论文 1 7 镁合金在我国的应用现状 我国镁合金的产业化刚刚起步，基础十分薄弱，镁合金还主要集中在原材料的生产 上，但我国发展镁合金压铸的优势却是得天独厚的“。 图1 _ 22 0 0 0 年全年镁产品出口结构图 目前影响世界范围内镁合金大规模发展与应用的重要因素就是镁合金压铸零部件的 价格偏高，而在我国，镁资源非常丰富，产镁业十分发达，镁产量1 9 9 0 年世界排名为 第9 位，1 9 9 5 年跃居第二位，仅次于美国。虽然近几年受到各种冲击，但目前我国仍有 5 0 余家镁厂，其年生产能力均在1 0 0 0 t 以上，总的生产能力可达1 0 万t 年，这也就使 我国镁合金压铸的发展有可靠的原料来源，而且目前我国的镁铝价格比已经小于1 4 ， 进行镁合金零部件的生产优势已经大于铝合金，在原材料的成本上存在极大的优势。我 国的镁合金产品也远销国外，如图1 - 2 所示为2 0 0 0 年我国镁合金产品的出口结构图， 由图中可以看出我国的出口产品还主要依靠原材料。也即有必要开发镁合金先进的加工 和生产技术。 进入9 0 年代以来，我国在汽车、计算机、通讯等领域有了极大的发展，单就汽车 行业来讲，轿车拥有量的增长幅度就高达9 1 倍，汽车轻量化高速节能等问题也日益突 出，然而到目前为止，国内也只有上海乾通汽车附件有限公司为上海大众汽车公司的桑 塔纳轿车配套生产的变速箱壳体和壳盖是利用德国技术由镁合金压铸生产的，镁合金用 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 量仅为8 5 k g 辆，而国外汽车的镁合金用量平均为4 0 k g 辆，可见要达到世界标准，提 高产品竞争力，我国汽车行业需要应用大量的镁合金压铸零部件。另外，我国在除汽车 以外的其他方面几乎没有应用镁合金零部件，可见，我国镁合金有广阔的应用市场，发 展潜力非常大。 我国拥有一批造诣颇深的专家学者和经验丰富的企业家，近年来已逐渐形成了一套 镁合金开发与应用体系。1 9 9 8 年，中科院现代制造技术c a d c a m 开放实验室、中科院金 属材料疲劳与断裂国家重点实验室、沈阳工业大学和中国第一汽车集团联合进行了镁合 金压铸研究及开发项目。政府也把镁合金的研究与开发列入了“十五”计划。东风汽车 公司、清华大学和许多大学与科研部门单位对镁合金的开发也进行了卓有成效的研究。 可见，我国目前已具备了相当雄厚的发展镁合金的技术优势。 我国有充足的镁合金原料来源，有广阔的镁合金产品应用领域，有相当雄厚的镁合 金发展技术优势，而且，十几年来，发达国家已经研制出适合于不同领域的多种系列新 型优质镁合金及其设备，在替代钢，铝合金、塑料等方面以及镁合金本身优势的利用上 为我们探出了前进的道路。目前，科技部结合镁资源十分丰富的西部地区大开发，推出 重点扶持汽车、家电、通信等领域典型镁合金压铸产品的开发计划。相信我国镁合金压 铸业将会有一个巨大的发展。因此，如何更好地利用我国的镁资源，研究镁合金的性质 及生产是摆在我们面前的课题。 1 8 镁合金成形工艺与新产品开发 镁合金成形主要通过铸造和塑性成形两种方式。镁合金铸造方法有：砂型铸造、金 属型铸造、熔模铸造、挤压铸造、低压铸造和高压铸造。目前，高压铸造，即通常所说 的压铸方法特别适合于镁合金铸造。现在9 0 9 6 左右的镁合金工程结构件都是通过压铸方 法生产的。镁合金压铸广泛采用冷室压铸和热室压铸两种方法。一般而言，薄壁件采用 热室压铸，厚壁件采用冷室压铸。主要原因是镁合金流动性高，凝固潜热小，凝固时间 短。薄壁件采用热室压铸有利于合金进入模腔前维持其温度，保持良好的流动性。用于 压铸的镁合金主要有m g _ a 卜z n 系和_ a l 一系。 镁合金塑性成形的方法很多，有锻压、冲压、轧制、旋压、挤压等。由于镁及其 合金为密排六方晶格，在室温下只有三个滑移系，即( 0 0 0 1 ) 面上的 ii 2 0 、 j1 1 0 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 和 1 2 1 0 三个滑移方向，所以镁合金变形主要在2 0 0 4 0 0 下进行“。与铸造合金 相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和多样化的力学性能，同时生产成本 更低。另外变形镁合金是未来空中运输、路上交通以及军工领域的重要结构材料。许多 镁合金板材、管材及复杂断面型材是无法用铸造方法来生产的。近期对变形镁合金的开 发，国外给予了很大重视，合金向系列化发展，而且备发达国家都建立了自己的合金系 列。如美国主要变形镁合金有m g - a 卜z n 的a z 3 1 和a z 6 1 ，m g z n z r 的z k 6 0 和z k 6 1 。特 别是a z 3 1 合金，可以轧制成薄板、厚板，挤压成棒材、管材、型材或加工成锻件等。 最重要的商用变形镁合金a z 3 1 b 和a z 3 1 c ，具有良好的强度和延展性，这主要是通过控 制轧制、挤压或锻造以及在向室温冷却时退火或半退火效应保留了部分加工硬化。 z k 6 0 a 合金是一种十分有前途的变形镁合金。同m g _ a 卜z n 系变形舍金相比，它在时效后 的抗拉强度和屈服强度分别高于2 8 0 m p a 和2 1 0 m p a 。 镁合金的新产品开发是一个多学科交叉问题，它涉及到产品结构设计、力学计算、 表面防护等，同时还要考虑整体结构的改变。例如，用镁合金轮毂来代替铝合金，不仅 仅减小了轮毂本身的重量，其它传动系统构件也需要重新设计。总体来说，镁合金的新 产品开发要从镁合金自身的特点出发，充分体现镁合金重量轻、比强度高、防磁减震、 导热性好以及易于回收的性能优势。在这种思路的指导下，目前镁合金被广泛用于汽车 零部件、3 c 产品、航空航天等领域。除此之外，镁合金还具有潜在的性能开发优势，例 如，镁合金超塑性成形、镁合金大块非晶、镁基复合材料以及镁基储氢材料等“”1 。 1 9 本课题的提出及意义 虽然镁合金存在的历史同铝合金一样长，但长期以来人们对镁合金的认识并不象对 铝合金认识得那样深刻和普遍，因此，对镁合金潜在的性能开发和利用还需要做大量的 工作。铝合金为面心立方结构，由于其良好的塑性加工性能以及适当的力学性能而被普 遍用于各种装饰型材的生产以及航空航天领域。据估计，每年大约有6 0 的铝合金用于 生产各类型材，而镁合金用于型材生产的就微乎其微。本课题就是在这种背景下提出 的，课题的主要任务是研究不同牌号镁合金的可挤压性，以及挤压后的力学性能，从而 为实际生产和应用提供理论依据。更需要特别提出的是，本课题开发了一种轻质镁合金 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 散热器片，可用于计算机、集成电路以及各类变频器的风冷散热器。此种散热片具有散 热快、噪音小和质量轻的特点，用于3 c 产品当中是很有商业前景的。 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 2 实验材料及方法 2 1 实验材料 挤压实验采用的是镁合金浇铸锭和连铸锭。m g - z n - r e 和m g - z n - z r 系共六个牌号 合金是由宁夏华源冶金实业有限公司用浇铸的工艺制备的，原始镁锭直径1 0 5 r a m ，长 5 0 0 r a m ，然后车削成4 0 0 m i n x 由1 0 0 m m 的圆柱形挤压锭。a z 6 1 和a z 9 1 两个牌号合金 是由北京有色金属研究总院提供的连铸锭，直径1 0 0 m m ，长度为4 0 0 m m 。挤压锭的合 金成分见表2 1 。 表2 _ 1